NM600级低合金高强度耐磨钢的毕业设计论文

NM600级低合金高强度耐磨钢的组织性能研究作 者 姓 名：指 导 教 师：单 位 名 称：专 业 名 称：Xx 大 学20xx年6月Study on the Microstructure and Propertyof NM600 Grade High Strength Low AlloyAbrasion-Resistant Steelby Zhang YujiaSupervisor: Professor Wang ZhaodongNortheastern UniversityJune 2014毕业设计（论文）题目：NM600级低合金高强度耐磨钢的组织性能研究设计(论文)的基本内容：（1）了解国内外低合金耐磨钢的发展现状和应用前景；（2）测量实验钢的临界相变点，并绘制CCT曲线，研究NM600级低合金耐磨钢的连续冷却转变行为；（3）通过热处理实验，研究不同的热处理工艺对实验钢显微组织和力学性能的影响，并得到最佳淬火温度和最佳回火温度；（4）通过对比不同级别耐磨钢的磨损实验，研究显微组织和力学性能对耐磨性的影响。毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第3周指导教师签字：年月日毕业设计（论文）任务书东北大学毕业设计（论文） 摘要NM600级低合金高强度耐磨钢的组织性能研究摘要磨损是金属材料的主要破坏形式之一。在工业发达国家，约30%的能源消耗在磨损上面。我国每年因磨料磨损消耗的钢材达百万吨以上。低合金高强度耐磨钢由于具有高硬度以及良好的韧性可以广泛应用在矿山机械、工程机械和其他设备中。NM600级低合金高强度耐磨钢作为最高级别的耐磨钢，对于节能降耗具有重要意义。本文依据低成本、高性能的原则，主要在普通C-Mn钢的基础上加入一定量的Cr、B、Mo等合金元素，通过合理的热轧工艺及热处理工艺，得到了具有高硬度、高强度以及良好低温韧性的NM600级别低合金高强度耐磨钢板。具体研究内容如下：（1）通过热模拟试验机及全自动相变仪进行实验钢临界动静态相变点的测定，绘制实验钢的CCT曲线。动态CCT曲线中相变组织随冷速增加组织转变规律为铁素体+珠光体+贝氏体贝氏体马氏体，静态CCT的组织转变规律为贝氏体马氏体。（2）通过合理的热轧工艺，得到12mm厚钢板，表面布氏硬度大于570HBW，符合国家标准中对NM600级耐磨钢的要求。对实验钢进行热处理实验，研究不同的热处理工艺对实验钢显微组织和力学性能的影响，得到最佳淬火温度为880，最佳回火温度为180。（3）对不同级别的耐磨钢进行磨损实验，得到NM600实验钢和HARDOX600的耐磨性分别是NM400的1.379和1.376倍。关键词：耐磨钢，磨损，热处理，硬度，韧性Study on the Microstructure and Property ofNM600 Grade High Strength Low AlloyAbrasion-Resistant SteelAbstractWear is one of the main failure form of metallic materials. In developed countries, about 30% of the energy is consumed in wear. The steel consumed by abrasive wear reached millions of tons per year in China. High strength low alloy abrasion-resistant steel has been widely used in the fields of mining machine，engineering machinery and other equipment due to its high hardness and good toughness. NM600 grade high strength low alloy wear-resistant steel as the highest grade wear-resistant steel has great significance for saving energy and reducing consumption。In this article, based on low-cost and high-performance principle, high strength low alloy abrasion-resistant steel grade NM600 with high hardness high strength and good toughness has successfully developed by adding a certain amount of Cr,B,Mo and other alloying elements in the ordinary C-Mn steel, and applying reasonable hot rolling process and heat treatment process. The major studies are as follows:(1)The CCT curves of the experimental steel are plotted by continuous cooling transformation experiments, The evolutions law of the transition microstructures with the increase of cooling rate in dynamic CCT is F+P+BBM，the evolutions law of the transition microstructures in static CCT is BM.(2)The 12mm thick steel plates had been got by applying reasonable hot rolling process. The surface Brinell hardness is more than 570HBW, meeting the requirements of national standards for NM600 grade abrasion-resistant steel. Effects of heat treatment temperature on the microstructure and mechanical properties of experimental steels were studied, which show that the best quenching temperature is 880, and the optimum temperature is 180. (3)The wear experiments on abrasion-resistant steel of different grade were studied, which show that the relative wear resistance of NM600 is 1.379 times of NM400, HARDOX600 is 1.376 times of NM400.Keywords: wear-resistant steel，wear，heat treatment，hardness，toughnesiv东北大学毕业设计（论文） 目录目录摘要I第1章绪论- 1 -1.1引言- 1 -1.2低合金高强度耐磨钢概述- 1 -1.2.1耐磨钢的发展与应用- 1 -1.2.2低合金高强度耐磨钢的主要特点- 2 -1.3磨损分类及磨损机理- 2 -1.3.1磨损的形式及分类- 2 -1.3.2磨粒磨损机理- 3 -1.3.3影响材料耐磨性的因素- 6 -1.4马氏体转变- 8 -1.4.1马氏体的性能- 8 -1.4.2马氏体转变的特点- 8 -1.4.3板条马氏体组织形态- 10 -1.5低合金高强度耐磨钢的发展现状- 10 -1.5.1国外的发展现状- 11 -1.5.2国内的发展- 14 -第2章实验材料及连续冷却相变分析- 16 -2.1实验材料- 16 -2.1.1合金元素对耐磨钢力学性能的影响- 16 -2.1.2实验钢的成分及其特点- 18 -2.2实验钢的临界温度点测定- 18 -2.2.1实验方案- 19 -2.2.2实验结果- 20 -2.3实验钢动态CCT曲线测定- 20 -2.3.1实验方案- 21 -2.3.2实验结果及分析- 22 -2.4实验钢静态CCT曲线测定- 23 -2.4.1实验方案- 24 -2.4.2实验结果及分析- 24 -2.5本章小结- 27 -第3章实验钢热处理工艺研究- 28 -3.1淬火工艺研究- 29 -3.1.1实验材料- 29 -3.1.2实验方案- 30 -3.1.3实验结果与分析- 32 -3.2回火工艺研究- 33 -3.2.1实验方案- 34 -3.2.2实验结果与分析- 34 -3.3本章小结- 38 -第4章实验钢的耐磨性研究- 39 -4.1耐磨性的评定- 39 -4.2实验设备与方法- 40 -4.3实验结果与分析- 41 -4.4磨损形貌及其机理- 43 -4.5本章小结- 45 -第5章结论- 46 -参考文献- 47 -结束语- 50 -东北大学毕业设计（论文） 第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言腐蚀、磨损、疲劳断裂是结构材料失效的三大主要形式。尽管材料磨损不会像腐蚀、断裂那样直接引起金属工件灾难性的危害，但其不仅引起设备零件失效，导致零件维修和更换频繁，设备工作效率降低，而且消耗大量的能源和材料，造成巨大的经济损失。此外，机器部件的磨损会使产品质量下降，甚至造成设备和人身事故，限制了工业的现代化和自动化发展。据统计，在工业发达国家，约30%的能源是以不同形式消耗在磨损上面的，机械装备及零件的磨损所造成的经济损失占国民经济总产值的4%左右，其中磨料磨损占金属磨损总量的50%。如在美国，每年由摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1000亿美元；我国每年因磨料磨损所消耗的钢材达百万吨以上，仅煤矿用刮板输送机中部槽每年就消耗68万t钢板。随着经济的高速发展和社会的进步，磨损所带来的社会损失将更加巨大。因此，研究和发展抗磨或减磨性能良好，且综合力学性能优良的低合金耐磨钢，对节能降耗，实现社会经济又好又快发展具有重要意义。1.2 低合金高强度耐磨钢概述1.2.1 耐磨钢的发展与应用耐磨钢是具有较高耐磨性能的钢铁材料的总称。耐磨钢种类繁多，大体上可分为高锰钢，中、低合金耐磨钢，铬钼硅锰钢，耐气蚀钢，耐磨蚀钢以及特殊耐磨钢等。耐磨钢作为一种专用钢大约始于十九世纪后半叶，1883年英国人哈德菲尔德（Hadfield,Sir Robert Abbott）首先取得了高锰钢的专利，至今已有100多年的历史。高锰钢是一种碳含量和锰含量较高的耐磨钢，具有成本低、性能优良的特点，被长期作为耐磨材料用于制造挖掘机的铲齿、圆锥式破碎机的轧面壁和破碎壁、颚式破碎机岔板、球磨机衬板、板锤、锤头等。高锰钢的成分百分含量为：C0.91.4%、Mn1015%、Si0.30.8%、P0.10%、S0.05%。其铸态组织通常是由奥氏体、碳化物和珠光体组成，有时会含有少量的磷共晶。当碳化物数量较多时，常在晶界上呈网状分布，脆性较大，需要进行固溶处理才能使用。通常，为了减少或者消除碳化物，对高锰钢进行水韧处理，使其强度、塑性和韧性均大幅度提高：抗拉强抗拉强度可达到6151275MPa，屈服强度可达到340470MPa，延伸率可达到1585%，硬度约为180225HBW。奥氏体组织的高锰钢受到冲击载荷时，在变形层内有明显的加工硬化现象，表层硬度大幅度提高。低冲击载荷时，可以达到300400HBW，高冲击载荷时，可以达到500800HBW。随冲击载荷的不同，表面硬化层深度可达1020mm。高锰钢在强冲击磨料磨损条件下，有优异的抗磨性能。在低冲击工况条件下，因加工硬化效果不明显，高锰钢不能发挥材料的特性。高铬铸铁是一种性能优良而受到特别重视的耐磨材料。它以比合金钢高得多的耐磨性，和比一般白口铸铁高得多的韧性、强度，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，加之生产便捷、成本适中，而被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。但由于其含有大量铬等稀缺元素，制造工艺要求严格，容易发生断裂，限制了高铬铸铁的广泛使用。近几十年来，低、中合金耐磨钢的开发与应用发展很快，由于这些钢具有较好的耐磨性和韧性，生产工艺较简单，综合经济性合理，在许多工况条件下适用，受到用户的欢迎。为了适应矿山采运机械与工程机械发展的需要，所研制的高硬度耐磨钢板，20世纪7080年代在国际上已形成系列并标准化。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，它们一般采用轧后直接淬火并回火，或实行控轧、控冷工艺进行强化，可节约能源，且合金元素含量低，价格较便宜，但硬度高，耐磨，因此这类耐磨钢板很受用户欢迎。1.2.2 低合金高强度耐磨钢的主要特点低合金高强度耐磨钢通常采用铬、镍、钼等元素进行合金化，然后通过淬火与低温回火获得马氏体组织。目前国外生产此类耐磨钢板的著名厂家有瑞典奥克隆德、德国迪林根、德国蒂JFE等。根据GB/T24186-2009工程机械用高强度耐磨钢板，耐磨钢的牌号、化学成分如表1.1所示，力学性能如表1.2所示。1.3 磨损分类及磨损机理1.3.1 磨损的形式及分类由于表面相对运动导致零件工作表面物质持续损失叫做磨损，即磨损是相互接触过程中产生相对运动使表面材料损失的结果。磨损无法从根本上加以消除，即使在摩擦副上加以润滑，也只能降低机械零件磨损程度而已。在负荷作用下， 表1.1 GB/T24186-2009规定的耐磨钢板化学成分要求(质量分数，%)牌号CSiMnPSCrNiMoTiBAls范围NM3000.230.701.600.0250.150.700.500.400.0500.0050.0060.010NM3600.250.701.600.0250.150.800.500.500.0500.0050.0060.010NM4000.300.701.600.0250.101.000.700.500.0500.0050.0060.010NM4500.350.701.700.250.101.100.800.650.0500.0050.0060.010NM5000.380.701.700.200.101.201.000.650.0500.0050.0060.010NM5500.380.701.700.200.101.201.000.700.0500.0050.0060.010NM6000.450.701.900.200.101.501.000.800.0500.0050.0060.010表1.2 GB/T24186-2009对耐磨钢板的力学性能要求牌号厚度/mm抗拉强度Rm/MPa前后伸长率A50mm/%-20冲击吸收能量（纵向）KV2/J表面布氏硬度HBWNM3008010001424270330NM3608011001224330390NM4008012001024370430NM450801250724420480NM50070470NM55070530NM60060570表面相对运动引起表面材料不断消耗，最终引起机械零件失效，为减少材料消耗，提高材料使用寿命，国内外投入了巨大的人力和物力研究材料的耐磨性，使它成为世界上发展最快的学科之一。在实际生产中，机械工况条件千差万别，磨损具有不同的形态，为方便研究和把握其规律，根据磨损所带来的破坏机理和特征，可将磨损分为以下几类：粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损和微动磨损。在现实工业生产中产生的磨损现象非常复杂，在一个工况下，并非只有单一的磨损形式，而是以一两种为主，多种磨损形式共同作用的结果。为了反映零件的磨损，常用磨损量、磨损率、磨损度、耐磨性和相对耐磨性等工艺参数来表征材料的磨损性能。磨损也可以按照磨损速率分为严重磨损和轻微磨损。1.3.2 磨粒磨损机理磨损机制用来表征和说明材料的磨损过程，磨料磨损机制常被分为切削机制、裂纹扩展机制和塑变磨损机制。A磨料磨损的显微切削机制磨料像刀具一样在材料表面切削，形成切屑，由于这种磨屑的宽度和深度远小于实际刀具的切削，因此称为显微切削。显微切削磨损率相当高。显微切削磨损量取决于材料的硬度，根据E.Rabinowicz的简化模型，圆锥形磨料在载荷作用下滑移距离S后，可得： V=FStanHm 1.1式中V磨损量(mm3)； Hm材料硬度； S滑动距离(m)；F载荷(N)；圆锥形磨料顶角。从而说明，磨损体积与载荷F成正比，与滑动距离S成正比，而与材料硬度Hm成反比。这个简化模型解释了磨损中的基本问题，但没有考虑沟槽体积只是一部分形成磨损，还有一部分只发生了塑性变形，被推挤到两边和前沿，所以磨损体积应该乘以一个系数。Zum Gahr经过大量实验，提出了fab因子理论，该理论认为材料的磨损是犁沟和切削的综合作用结果，其相对量可用下式表达：fab=1-A1+A2Ag 1.2式中fab塑变因子；A1、A2挤压相对面凸出部分面积；Ag挤压相对面凹下部分面积。当式中fab因子为0时，就只出现塑性推挤，当fab因子为1时，则只出现切削。此时线性磨损率为：WS=fabFH 1.3式中 W/S单位长度的磨损量；S磨损距离； F一材料表面压力；一磨料形状因子。从式中可知，被磨材料的磨损量随着形状因子的增大而增大；磨损量随着外部压力增大而增大，随着被磨材料的硬度增加而减少。公式中因子fab是材料表面实际变形能力的函数，也是材料强度的函数。fab因子随着材料变形能力增加而减小。因为材料变形能力越强，越容易在犁沟两侧产生塑性变形。对于确定的工况条件，材料高的耐磨性将通过小的fab值和高的材料硬度来实现。B磨料磨损的塑变磨损机制M.A.Moore提出了塑变磨损理论。在松散磨料磨损条件下，磨料处于不断运动状态，磨料大约有90%的机会与磨损表面做滚动接触，只有10%的机会能在磨损表面形成犁沟，Challen发现松散磨料磨损表面和固定磨料磨损表面形貌有很大差别，前者表面出现很多塑变压痕，所以认为此时以塑变磨损为主。有的磨粒棱角剪切变形层金属而使之成为碎屑，也有的磨粒使之多次变形，当材料应力超过强度极限时脆裂成碎屑，这种磨损具有低周期疲劳性质，其耐磨性以材料的硬度和韧性、塑性综合判定。C磨料磨损的裂纹扩展机制磨料压入材料表面时具有净水压的应力状态，大多数材料都会发生塑性变形，在硬磨料及冲击条件下，如材料中有脆性相或较脆基体，则可能发生微观断裂机理引起的磨损。磨料压入脆性材料时形成微裂纹，这些裂纹从压痕的四角出发向材料内部扩展，在磨粒的作用下，当横向裂纹相互交叉或扩展到表面时，就造成材料的微观断裂，形成磨损。这种磨损与材料的冲击韧性和断裂韧性直接相关。Zum Gahr教授研究工具钢和白口铸铁时发现磨损表面及亚表层有水平方向裂纹和纵向裂纹，他用锥形压头压入材料表面形成顶角为2、宽度为2a的压痕，且在压入尖端处有直径为2c的圆形裂纹。在磨损时，裂纹扩展的判据为：FKit=4.62Klc2sin24f2H 1.4那么单位面积上磨料滑动过单位距离造成的磨损率为：W=W1+W2=FHtan+12.31F32Df2H12Klc2sin2 1.5这里第一项W1表述的是单纯的磨沟磨损，W2表述的是局部裂纹扩展导致材料剥落磨损。从上式看到，对于裂纹扩展形成的磨损，摩擦因数f也是一个主要参数，因为它影响局部应力分布。随着磨料力度增大，材料硬度提高，Fkit下降，即发生裂纹扩展控制的磨损的可能性增加。金属的断裂韧性对磨粒磨损有重要的影响。随着Klc升高，裂纹扩展机制的磨损临界载荷提高，磨损率降低，但对大多数金属来说，随着断裂韧性的提高，材料的硬度下降，也就是说上式中第一项W1受硬度控制，而第二项W2受材料的断裂韧性Klc控制，磨损则是两项综合作用结果。此时，在一定条件下，材料的硬度起主导作用；在另一种条件下，材料的断裂韧性起主导作用。当Klc很低时，磨损以裂纹扩展机制为主，随着Klc提高则耐磨性提高。但Klc提高的同时硬度下降，即一定Klc时，材料的硬度也降到最低值，这时磨料的“犁”作为磨损的主要方式，材料的耐磨性随Klc提高和硬度下降而下降。通常材料的Klc随冲击韧性的提高而提高，因此常用易测量的冲击韧性作为裂纹扩展机制的判据之一。需要特别指出的是，在磨料磨损过程中不只是一种磨损机理在起作用，而往往是以几种磨损机理同时存在，其中某种磨损机理起主要作用。随着磨损过程中外部条件和材料表面组织的变化，磨损机理也可能会相应的发生变化，从以一种机理为主转变为以另一种机理占主导地位。1.3.3 影响材料耐磨性的因素磨料磨损过程实际上由多种因素控制的综合复杂过程。其影响因素包括零件服役的工况条件、磨料特征、设计使用性能及材料本身的特性等。利用系统方法对各种影响因素以及环境条件进行综合分析，可以较清楚的了解不同因素对磨料磨损的影响。与材料本身特性相关的因素主要有：A材料硬度的影响根据拉宾诺维奇建立的模型，硬度对材料磨损性能的影响主要跟材料的硬度Hm与磨料的硬度Ha之间的比值Hm/Ha有关，Hm/Ha大于1.25时，磨料几乎不对材料表面构成切削，材料表面很少受磨损，Hm/Ha小于0.8时，处于高切削区，材料表面磨损非常严重，当其比值在1.25和0.8时之间时，为中等切削区。但硬度与耐磨性之间并不是简单的对应关系，当材料的硬度较低时，在冲击载荷磨损条件下，材料表面出现加工硬化时材料的耐磨性与其材料受磨损后加工硬化后的表面硬度成正比。但总的来说材料硬度影响耐磨性主要表现为：1、纯金属（未经热处理的钢）：耐磨料磨损的耐磨性与材料自身的硬度成正比，即材料本身的硬度越高，耐磨性越好；2、经过热处理的钢：耐磨性也随硬度升高而增加，但增加的速度较慢；3、钢中碳及碳化物形成元素的含量越高，其耐磨性也越好。B材料微观组织的影响（1）基体组织 从马氏体、贝氏体、珠光体、到铁素体随着它们硬度的降低耐磨性逐渐降低。淬火与回火马氏体硬度高，所以耐磨性好。而铁素体的硬度最低，所以其耐磨性最差。但在同等硬度条件下，回火马氏体的耐磨性大大低于等温转变条件下形成的贝氏体。残余奥氏体对耐磨料磨损性能也有影响。在高应力磨损工况条件下，残余奥氏体因受冲击应力显著加工硬化而使其耐磨性提高。在低应力磨损工部条件下，当残余奥氏体量较多时，将使材料的耐磨性降低。（2）第二相碳化物是钢中最重要的第二相，材料耐磨料磨损性能主要与碳化物本身的硬度及其与基体硬度的相对大小有关。在硬基体中，当碳化物硬度与基体硬度相近时，因碳化物象材料内部存在的缺口一样起分割基体的作用，使耐磨性在幅度降低。但在软基体中增加碳化物的数量和弥散度、减小尺寸等都能提高材料的耐磨性。在摩擦条件不变的前提下，如果磨粒的硬度比碳化物硬度高，提高碳化物的硬度也能提高材料的耐磨性。总之，通过对不同微观组织在不同硬度水平时的相对耐磨性比较发现，硬度提高都会使耐磨性增加，但在同等硬度条件下，贝氏体和奥氏体的耐磨性要比珠光体和马氏体好，不同含碳量、不同类型材料在不同的热处理条件下，由于内部的组织类型及含量的不同也会使耐磨性发生很大变化。C加工硬化的影响实验表明：在低应力磨损工部条件下，材料产生加工硬化，但加工硬化后表面硬度的提高并不能使材料的耐磨性增加，所以低应力磨损时产生的加工硬化不能提高材料的耐磨性。但在高应力冲击负荷磨损的工况条件下，材料表面产生加工硬化后获得的硬度越高，加工硬度后材料的耐磨性越好。1.4 马氏体转变钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分散，在较低温度下（低于Ms点）发生的无扩散型相变叫做马氏体转变。马氏体转变是强化金属的重要手段之一，各种钢件、机器零件及工、模具都要经过淬火和回火获得最终的使用性能。钢的淬火时发生强化和硬化是由于形成了马氏体。马氏体转变最早是在钢铁中发现的，但现今除铁合金之外，许多有色金属和合金以及陶瓷材料等也都发现了马氏体转变。因此，凡是基本特征属于马氏体转变的相变，其相变产物都成为马氏体。本节重点讨论钢中马氏体转变的一般规律及其作用。1.4.1 马氏体的性能马氏体力学性能的显著特点是具有高强度和高硬度。马氏体的硬度主要取决于其碳含量。马氏体高强度、高硬度的原因是多方面的，期中主要包括碳原子的固溶强化，相变强化和时效强化。间隙原子碳处于相晶格的扁八面体间隙中，造成晶格的正方畸变并形成一个应力场。该应力场与位错发生强烈的交互作用，从而提高马氏体的强度。这是碳对马氏体晶格的固溶强化。马氏体转变时在晶体内造成密度很高的晶格缺陷，无论板条马氏体中的高密度位错还是片状马氏体中的孪晶都阻碍位错运动，从而使马氏体强化，这是所谓的相变强化。时效强化也是一个重要的强化因素。马氏体形成以后，碳及合金元素的院子向位错或其他晶体缺陷处扩散偏聚或析出，钉扎位错，使位错难以运动，从而造成马氏体强化。此外，马氏体半条群或马氏体片尺寸越小，则马氏体强度越高。这是由于马氏体相界面阻碍位错运动而造成的。所以，原始奥氏体晶粒越细，则马氏体强度越高。1.4.2 马氏体转变的特点马氏体转变同其他固态相变一样，相变驱动力也是新相与母相的化学自由能差，即单位体积马氏体与奥氏体的自由能差。相变阻力也是新相形成时的界面能及应变能。尽管马氏体形成时与奥氏体存在共格界面，界面能很小，但是由于共格应变能较大，特别是马氏体与奥氏体比体积相差较大以及需要克服切边阻力并产生大量晶体缺陷，增加很大的弹性应变能，导致马氏体转变的相变阻力很大，需要足够大的过冷度才能使相变驱动力大于相变阻力，以发生奥氏体向马氏体转变。因此，与其他相变不同，马氏体转变并不是在略低于两相自由能相等的温度T0以下发生的，其所需过冷度较大，必须过冷到远低于T0的MS点以下才能发生。马氏体转变开始温度MS点则可定义为马氏体与奥氏体的自由能差达到相变所需的最小驱动力值时的温度。马氏体转变是过冷奥氏体在低温范围内的转变，相对于珠光体转变和贝氏体转变具有一系列特点：1）马氏体相变属于无扩散转变。马氏体转变是奥氏体在很大过冷度下进行的，此时无论是铁原子、碳原子还是合金元素原子，其活动能力很低。因此，马氏体转变是在无扩散的情况下进行的。点阵的重构是由原子集体的、有规律的、近程的迁动完成的。原来在母相中相邻的两个原子在新相中仍然相邻，它们之间的相对位移不超过一个原子间距。表现为：钢中奥氏体转变为马氏体时，仅由面心立方点阵改组为体心立方点阵，而无成分变化；马氏体转变可以在相当低的温度以下以极快的速度进行。2）马氏体相变以切变共格的方式进行。马氏体转变时，在预先抛光的试样表面上出现倾动，产生表面浮凸。这个现象说明马氏体转变和母相的宏观切变有着直接的联系。如果在抛光的单晶试样表面刻有直线划痕，则马氏体转变后，划痕由直线变为折现，但无弯曲或中断现象。这说明马氏体是以切变的方式形成的，而且马氏体和母相奥氏体保持共格，界面上的原子既属于马氏体又属于奥氏体。相界面是一个切变共格截面，又叫做惯习面。马氏体转变时，惯习面是一个尺寸、形状不变的平面，也不发生转动。换句话说，马氏体转变是新相在母相特定的晶面（惯习面）上形成，并以母相的切变来保持共格关系的相变过程。3）马氏体转变的晶体学特点是新相和母相之间存在一定的位向关系。因为马氏体转变时，原子不需要扩散，只做有规则的很小距离的牵动，转变过程中新相和母相界面始终保持切变共格，因此转变后具有一定的位向关系。在钢中已经观察到的位向关系有K-S关系和G-T关系。4）马氏体转变是将奥氏体以大于临界冷却速度的冷却速度过冷至一定温度才能发生，这一温度为马氏体转变的开始点，用MS表示，当至某一温度以下时转变不再进行，为马氏体转变终了点，用Mf表示。5）马氏体转变具有可逆性，当重新加热时，已形成的马氏体可以通过逆向马氏体转变机制转变为奥氏体。1.4.3 板条马氏体组织形态板条状马氏体是低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢和不锈钢等合金中形成的一种典型的马氏体组织，因其显微组织是由许多成群的板条组成，故称为板条状马氏体。板条马氏体的显微组织示意图如图1.1所示，由图可见，板条状马氏体由板条群所组成（图1.1中A区），一个原始奥氏体晶粒内可有几个板条群。板条群由若干尺寸大致相同的板条在空间位向大致平行排列所组成，一个板条群又可分成几个平行的区域（图1.1中B区），称为同位向束，同位向束之间呈大角晶界。一个板条群也可以只由一种同位向束组成（图1.1中C区）。每个同位向束由若干个近于平行排列的细长的马氏体板条（图1.2中D区），每个板条为一个马氏体单晶体。马氏体板条具有平直界面，界面近似平行于奥氏体的111，即其惯习面。相同惯习面的马氏体板条平行排列构成马氏体板条群。又因为这种马氏体的亚结构主要为位错，通常也称为位错型马氏体。图1.1 板条马氏体亚结构示意图1.5 低合金高强度耐磨钢的发展现状高强度耐磨钢板广泛应用于车辆、船舶、矿山设备、工程机械及水泥设备等方面，耐磨板强度一般大于1000MPa，国外该种类的板材都在调质状态下供货，具有高强度、良好的塑性和韧性。当前国外生产耐磨钢板的著名厂家有：瑞典奥克隆德生产的HARDOX系列，硬度达HB400、HB500、HB550和HB600；德国迪林根的400V和500V；德国蒂森克虏伯的XAR400、XAR450、XAR500；日本的JFE-EH360、EH400和EH500等。国内能生产高强度耐磨钢的厂家主要有舞钢、鞍钢、武钢、宝钢、南钢等。目前为止，我国耐磨钢产品强度级别性能与国外产品相比都还有不小差距。1.5.1 国外的发展现状A瑞钢奥隆公司HARDOX悍达系列耐磨钢瑞典钢铁奥克隆德有限公司，是SSAB瑞典钢铁集团的成员之一，拥有全球领先的淬火和回火高端技术，是世界最大的耐磨钢板和超高强度钢板制造商，在世界淬火中厚钢板市场中占据60%的市场份额，年产钢坯150万t，钢板60万t，可以生产厚度为3155mm、宽度达3500mm的钢板，其生产的钢板90%出口，60%的产品销售到欧洲其他国家，另外北美占12%，亚洲占9%。瑞钢奥隆的产品30%用于工程机械，30%用于矿山机械。瑞钢奥隆拥有世界最先进的四辊轧钢机，轧机等级为1105kN。同时拥有世界最先进的高自动化淬火线，可以进行热处理、矫平、涂层、搬运等工序。其生产的钢板沿厚度方向性能的均匀性得益于轧钢时钢坯厚度的大量降低，晶粒大小控制得益于轧钢时对钢坯厚度和温度的精准控制。HARDOX悍达耐磨钢板按硬度等级分为：HARDOX悍达400、450、500、600和HiTuf。HARDOX悍达400和450是多用途的耐磨板，由于其高韧性、良好的弯曲和焊接性能，在一些应用中也可用作承载用途。HARDOX悍达500是一种可弯曲和焊接的耐磨板，可应用于对耐磨性能要求更高的领域。HARDOX悍达550是一种平均硬度为550HB的耐磨钢板，其韧性与HARDOX悍达500相同，被应用于高磨损的场合，其主要针对使用高锰钢铸件或布氏硬度为500的耐磨钢板的用户和制造商。当从HARDOX悍达500钢板升级到该产品时，在布氏硬度上提高了50个单位，在不损失钢板韧性的情况下延长了耐磨寿命；HARDOX悍达600是世界上最硬的耐磨钢板，硬度值达到600HB。2007年，德国BAUMA2007展览会上，瑞钢奥隆展示了其目前世界上最硬的淬火和回火钢板HARDOX悍达Extreme耐磨钢板，其硬度达到700HB。HARDOX悍达Extreme钢板可以在面临极严重磨损的耐磨结构件中起到重要的作用，比如在矿山、水泥及砖模具生产行业的应用。B德国蒂森克虏伯 XA R系列耐磨钢德国蒂森克虏伯钢铁公司（简称TKS），从20世纪60年代中期开始生产的具有高耐磨性能的特殊结构钢板，经淬火或淬火加回火热处理，具有致密的马氏体或马氏体-贝氏体显微结构。生产的钢板厚度最大可达100mm。除传统的XAR400、450、500级别外，TKS还成功地开发了三种新级别用于中低磨损环境的XAR300正火钢、更高温度使用的XAR400W和满足更高磨损要求的超硬级XAR600。这样，可供选择的钢板硬度覆盖范围可达300600HB，几乎对任何使用环境均都提供适当的解决方案。所有级别中，最常用的是XAR400，硬度值为400HB，其使用寿命可达传统结构钢板的5倍左右。XAR耐磨钢化学成分见表1.3。表1.3 XAR系列耐磨钢的化学成分XARCSiMnPSCrMoBCET典型值3000.210.651.500.02500.0251.200.300.0050.360.444000.200.801.500.02500.0101.000.500.0050.260.40400W0.260.801.300.02500.0251.200.600.0050.380.444500.220.801.500.02500.0121.300.500.0050.270.445000.280.801.500.02500.0101.000.500.0050.380.506000.400.801.500.02500.0101.500.500.0050.510.57注：CET/%=C+(Mn+Mo)/10+(Cr+Cu)/20+Ni/40，其大小根据板厚进行调整。C德国迪林根DLLDUR系列耐磨钢板DLLDUR系列耐磨钢板根据其生产工艺和硬度值不同分为数个级别，分别满足不同的使用要求。其中，DLLDUR400V、500V两个级别的综合性能更为突出。DLLDUR400V耐磨钢出厂交货平均硬度达400HB，在高磨损环境中得到了成功的应用，同时它还具有优良的可加工性能，尤其焊接性能。表1.4 DLLDUG耐磨钢化学成分/%DLLDUGCSiMnPS400V0.200.501.800.0250.010500V0.300.501.600.0250.010表1.5 DLLDUG耐磨钢机械性能DLLDUG平均硬度/HB 抗拉强度/MPa屈服点/MPa延伸率/%冲击值/J碳当量/%弯曲半径400V4001300100012500.363t500V500165013008250.517tDLLDUR400V可应用于装载机、挖掘机、自卸车、传送设备、卡车、刀口和破断刀具、废物清理和回收设备等。供货尺寸可达6150mm。DLLDUR500V耐磨钢出厂交货平均硬度达500HB，可供厚度为8100mm。DLLDUR耐磨钢化学成分、机械性能见表1.4、表1.5。D日本JFE EVERHARD系列耐磨钢板日本JFE钢铁公司从上世纪50年代中期开始生产和销售JFEEVERHARD系列耐磨钢板，除传统级别外，JFE钢铁公司还成功研发了超级耐磨钢EHSP，其耐磨性能已超过布氏硬度500级的钢板，以及具有优异韧性的EH360LE和EH500LE钢板。（1）品种繁多JFE耐磨钢板共有11个级别可供选用：标准系列5个，合金系列3个，超耐磨级1个，高韧性360级1个，以及高韧性500级1个。以上产品品种齐全，可满足不同领域的应用要求。（2）标准系列该系列各级别主要侧重硬度指标。化学成分相对简单，添加了B，而对其它合金元素的含量有所限制。（3）合金系列该系列的合金含量高于标准系列。钢板最厚可达100mm，并能保证硬度。同时对低温韧性也予以一定的考虑。（4）超耐磨级EH-SP客户常常要求能提供一种寿命更加持久的耐磨钢板，以降低其运营综合成本。但以前还很难有一种能在不影响焊接和成型性能的前提下，表现比普通500级更好的钢板。而JFE的超级耐磨钢板EH-SP成功地做到了这一点。（5）高韧性耐磨钢板通常在-40下，耐磨钢板的韧性难以得到保证。而JFE已成功开发出EH360LE和EH500LE，可保证在-40下的韧性。对韧性要求在低温和强冲击使用条件下时，它们是最适合的选择。同时EH360LE和EH500LE还具有良好的防焊裂能力，可保证焊缝的质量和安全性。JFEEVERHARD可供厚度及化学成分见表1.6。表1.6 JFE EVERHARD钢可供厚度及化学成分/%类型级别CSiMnPSCrTiBMoV标 准 系EH3200.200.551.600.0300.0300.400.0050.004-EH3600.200.551.600.0300.0300.400.0050.004-EH4000.250.551.600.0300.0300.400.0050.004-EH4500.350.551.600.0300.0300.400.0050.004-EH5000.350.551.600.0300.0300.800.0050.004-合 金 系EH360A0.200.551.600.0300.0301.200.0200.0040.500.10EH400A0.250.551.600.0300.0301.200.0200.0040.500.10EH500A0.350.551.600.0300.0301.200.0200.0040.500.10LEEH360LE0.170.551.600.0300.0100.400.0200.0040.35-EH500LE0.290.551.600.0300.0100.400.0200.0040.35-SPEH-SP0.350.551.600.0300.0301.50添加其他合金元素1.5.2 国内的发展一直以来，我国基础零件的耐磨性普遍明显低于国外先进产品的水平。近几年我国耐磨钢领域的技术发展取得了长足进步，武钢、鞍钢、宝钢、舞阳、太钢等中厚板厂均能够稳定供应HB400强度级别以下的耐磨钢板，部分厂家可生产HB500以下强度级别的耐磨钢板。目前，HB400以上强度级别耐磨钢仍主要依赖进口。我国耐磨钢产品强度级别、性能与国外产品相比还有不小差距。国内高强度耐磨钢成分设计总体采用低碳、Mn、Si及Cr-Mo-V-B组合方式，大多以淬火或淬火+回火状态交货。钢板经淬火后获得板条马氏体和少量分布在板条间的残余奥氏体。部分产品以热轧、控轧状态交货，获得贝氏体铁素体（BF）加残余奥氏体（AR）的复相组织。目前，国内主要钢厂生产的高强度耐磨钢产品质量基本上处于同一水平。武钢开发高强度耐磨钢板最早，设备较先进，产品以HB360级别为主，厚度范围为1050mm，成品性能较好。舞钢热处理手段齐全，成品板幅大，能够生产厚度880mm、宽度16002500mm的耐磨钢板。太钢高强度耐磨钢板板形较好，不平度可控制在4mm/m以内，达到进口耐磨板板形水平。国内高强